專利名稱:鉆柱振動失效預(yù)警裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型涉及一種對井下鉆柱在受力和運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)測研究的裝置,具體 的是對鉆柱的振動失效進(jìn)行預(yù)警的裝置。
背景技術(shù):
鉆柱是鉆井施工中的重要鉆井工具,它是地面鉆井設(shè)備與井底鉆頭之間的“連接 紐帶”。鉆柱位于井下,其實(shí)際工作狀態(tài)無法直接觀測,所以井下鉆柱的力學(xué)行為一直是鉆 井科技人員關(guān)注的問題之一,國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者已對鉆柱在井下的工作情況,特別是鉆柱的 受力與運(yùn)動情況進(jìn)行了相當(dāng)深入的理論研究,建立了各有特色的鉆柱模型與求解方法,但 在進(jìn)行鉆井施工時,鉆柱在井下的實(shí)際工作情況及當(dāng)鉆柱振動過大,是否能夠預(yù)判并規(guī)避 危險還有待于研究。
自20世紀(jì)60年代以來,人們已開始重視井下鉆柱受力和運(yùn)動狀態(tài)的實(shí)測研究。 由于受到井下工作環(huán)境、測試技術(shù)、電子元器件技術(shù)水平、信號傳輸、研究成本等多方面因 素的影響,用于井下鉆柱受力和運(yùn)動的實(shí)測專用工具及專項(xiàng)研究結(jié)果并不多見,只是進(jìn)入 20世紀(jì)80年代以后,隨著MWD和LWD技術(shù)的日趨成熟以及電子技術(shù)的發(fā)展,人們才得以有 條件進(jìn)行井下鉆柱受力和運(yùn)動實(shí)測方面的系統(tǒng)研究。1985年,法國石油研究院研制了一種 稱為Trafor的專門進(jìn)行鉆柱動力學(xué)實(shí)測研究的MWD裝置,且以后陸續(xù)對該裝置進(jìn)行了補(bǔ) 充和改進(jìn);該裝置可以測量包括井下轉(zhuǎn)速、鉆壓、扭矩、加速度和磁偏角、彎矩、鉆柱內(nèi)、外壓 力、鉆柱內(nèi)、外溫度等15個井下參數(shù),以及包括地面轉(zhuǎn)速、泵壓、扭矩、大鉤載荷和縱向加速 度等5個地面參數(shù)。該裝置的采樣速率高達(dá)1800次/s,可以較精確地描述鉆柱在井下的 受力和運(yùn)動狀態(tài)。但是,該裝置必須采用專門的有線鉆桿進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的有線傳輸,研究成 本十分昂貴。1994年,美國Amoco公司和Sperry2Sim公司的研究人員聯(lián)合開發(fā)了簡稱為 DDS的鉆柱動態(tài)測試接頭,對鉆頭的回旋運(yùn)動和鉆柱的扭轉(zhuǎn)振動進(jìn)行了研究,并對比了室內(nèi) 試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)之間存在的差距;從他們提供的資料看,DDS可測量井下的鉆壓、扭矩和3 個方向的加速度,并將測試信號通過泥漿傳輸,由井上的壓力傳感器收集泥漿壓力信號并 進(jìn)行解碼,操作及識別較復(fù)雜,需要專門技術(shù)人員來判斷、識別井下工作狀態(tài)。國內(nèi)的管志川、崔學(xué)政等人研制了一種實(shí)用的鉆柱井下測量接頭,實(shí)測、存儲鉆具 在井下的受力與運(yùn)動等參數(shù),該接頭只進(jìn)行了鉆柱下放的測試實(shí)驗(yàn),未見進(jìn)行鉆井實(shí)驗(yàn)和 使用的報道。北京海藍(lán)科技開發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的泥漿脈沖隨鉆測斜儀測試的是井眼軌 道的井斜角、方位角等參數(shù),是將測試信號通過信號發(fā)生器發(fā)出泥漿微脈沖,井口的壓力傳 感器采集壓力信號并解碼。由上可見,井下測試儀器的難點(diǎn)在于信號的采集與傳輸,目前能夠用于井下的壓 力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器尚未見報道,加速度傳感器比較成熟;信號的傳輸大多通過有線傳輸 或泥漿微脈沖發(fā)射結(jié)合地面設(shè)備解碼,有線傳輸?shù)脑O(shè)備價格昂貴,而無線傳輸由于干擾信 號多、壓力信號小而導(dǎo)致信息失真。因此多年來人們一直希望能夠研制出能夠?qū)崟r監(jiān)控鉆 柱井下工作情況的工具。發(fā)明內(nèi)容為了解決背景技術(shù)中存在的問題,本實(shí)用新型提供了一種可實(shí)時監(jiān)控鉆柱井下工 作情況的鉆柱振動失效預(yù)警裝置,該裝置無需地面設(shè)備來解碼,結(jié)構(gòu)簡單可靠,易于加工制造。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案為鉆柱振動失效預(yù)警裝 置,包括上接頭,扶正筒,電子單元接頭,電池組,電磁鐵,柔性桿,濾網(wǎng),輔助閥,彈簧,主閥 閥桿,主閥閥頭,限流環(huán),循環(huán)套,下接頭,套筒,其中電子單元接頭中裝有單片機(jī)和傳感器; 套筒分為三段,各段之間通過密封圈螺紋連接;扶正筒與上接頭通過螺紋連接,電子單元接 頭插在扶正筒內(nèi),電子單元接頭的尾端螺紋連接電池組,電池組的另一端與套筒螺紋連接, 電磁鐵置于套筒中,電磁鐵的上端面與電池組下端面接觸,下端與柔性桿固定連接,濾網(wǎng)通 過螺釘固定在套筒的側(cè)壁上,輔助閥上端與柔性桿連接,彈簧上端固定在套筒上,下端固定 在主閥閥桿上,主閥閥桿與主閥閥頭及套筒螺紋連接,限流環(huán)置于循環(huán)套中,循環(huán)套與下接 頭通過花鍵連接。
本實(shí)用新型的有益效果本申請研制的鉆柱振動失效預(yù)警裝置可實(shí)時測 量鉆柱某點(diǎn)的(包括直井段、造斜段及水平段)振動參數(shù),在鉆井作業(yè)過程中測試、存儲鉆 具的振動信號,并可通過所編制的程序智能判斷振動狀態(tài),若存在失效危險則通過泥漿信 號報警。起鉆后進(jìn)行數(shù)據(jù)回放,以此研究井下鉆柱在井眼中各位置時實(shí)際工作情況,驗(yàn)證各 理論模型的準(zhǔn)確性。本申請裝置主要測量3個方向加速度,通過改變泥漿壓力使司鉆的泵 壓表變化示警,無需地面設(shè)備來解碼,結(jié)構(gòu)簡單可靠,易于加工制造,可創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效 益和社會效益,具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖1 本實(shí)用新型預(yù)警裝置下入井后初始狀態(tài)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2 圖1中的A-A視圖。圖3 圖1中的B-B視圖。圖4 為預(yù)警裝置處于泥漿循環(huán)狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5 為預(yù)警裝置處于觸發(fā)工作狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中上接頭-1,扶正筒-2,電子單元接頭-3,電池組-4,電磁鐵_5,柔性桿-6, 濾網(wǎng)-7,密封圈-8,輔助閥-9,彈簧-10,主閥閥桿-11,主閥閥頭-12,限流環(huán)-13,循環(huán) 套-14,下接頭-15,套筒-16。
具體實(shí)施方式
如圖1結(jié)合圖2、圖3所示,鉆柱振動失效預(yù)警裝置包括上接頭1,扶正筒2,電子 單元接頭3,電池組4,電磁鐵5,柔性桿6,濾網(wǎng)7,密封圈8,輔助閥9,彈簧10,主閥閥桿11, 主閥閥頭12,限流環(huán)13,循環(huán)套14,下接頭15,套筒16,組成裝置的上述部件按照實(shí)現(xiàn)的功 能主要分為控制單元、測試單元及執(zhí)行單元,其中電子單元接頭3中安裝有電子單元,電子 單元分成單片機(jī)和傳感器兩部分,傳感器是組成測試單元的主要部件,主要進(jìn)行加速度信 號的采集;單片機(jī)是組成控制單元的主要部件,主要進(jìn)行加速度信號數(shù)據(jù)的存儲、判斷。傳
4感器、單片機(jī)等部件的選取上要考慮高溫高壓頻繁振動等因素。扶正筒2與上接頭1通過 螺紋連接,電子單元接頭3插入到扶正筒2內(nèi),這樣使得電子單元接頭3中的傳感器測得的 加速度為該段鉆柱振動狀態(tài)的實(shí)測值;電子單元接頭3的尾端螺紋連接電池組4,電池組4 的另一端與套筒16之間通過螺紋連接,電池組4主要給電子單元及電磁鐵5提供電源;所 述套筒16分為三段,各段之間通過密封圈8螺紋連接。電磁鐵5、柔性桿6、輔助閥9、彈簧 10、主閥閥桿11、主閥閥頭12、限流環(huán)13為執(zhí)行單元的主要部件,執(zhí)行單元的任務(wù)是依據(jù)控 制單元發(fā)出的信號做出相應(yīng)的動作;其中電磁鐵5置于套筒16中,上端被電池組4壓緊,下 端與柔性桿6固定連接, 可通過柔性桿6來上提輔助閥9 ;濾網(wǎng)7通過螺釘固定在套筒16 的側(cè)壁上,作用是用來過濾鉆井循環(huán)液,防止大的巖屑顆粒進(jìn)入套筒內(nèi);輔助閥9上端與柔 性桿6連接,當(dāng)執(zhí)行單元不啟動時,輔助閥9下端就坐在套筒16上,當(dāng)執(zhí)行單元啟動時,輔 助閥9就會通過電磁鐵5、柔性桿6的拉力作用懸掛在套筒16中;彈簧10上端固定在套 筒16上,下端固定在主閥閥桿11上,其作用是使主閥閥桿11上下移動;主閥閥桿11的外 面設(shè)有主閥閥套,并與主閥閥頭12、套筒16之間通過螺紋連接。限流環(huán)13置于循環(huán)套14 中,循環(huán)套14與下接頭15通過花鍵連接;主閥閥頭12與限流環(huán)13配合使用,可依據(jù)不同 壓力的要求更換不同尺寸的配件。 該裝置工作過程裝置下入井后初始狀態(tài)如圖1所示;當(dāng)泥漿開始循環(huán),處在環(huán)空 流道的泥漿就會托起主閥閥頭12,主閥閥頭12和主閥閥桿11就會向上運(yùn)動,此時彈簧10 被壓縮,控制狀態(tài)如圖4所示;當(dāng)測試單元檢測到失效危險振動信號時,控制單元就會發(fā)出 信號,電磁鐵會被觸發(fā),輔助閥9通過柔性桿6被提起,一部分泥漿通過濾網(wǎng)7進(jìn)入內(nèi)流道, 泥漿就會從主閥閥桿11內(nèi)部的小空隙流出,此時主閥閥桿11和主閥閥頭12在壓縮彈簧10 的反作用力下就會向下運(yùn)動,主閥閥頭12與限流環(huán)13之間的空隙就會減小,泥漿流通面積 減小,如圖5所示,此時泥漿壓力增大,在井口的工作人員就會通過地面司鉆控制室的泵壓 表指針的反饋來做出相應(yīng)的操作。
權(quán)利要求1. 一種鉆柱振動失效預(yù)警裝置,包括上接頭(1),扶正筒(2),電子單元接頭(3),電池 組(4),電磁鐵(5),柔性桿(6),濾網(wǎng)(7),輔助閥(9),彈簧(10),主閥閥桿(11),主閥閥頭 (12),限流環(huán)(13),循環(huán)套(14),下接頭(15),套筒(16),其特征在于電子單元接頭(3)中 裝有單片機(jī)和傳感器;套筒(16)分為三段,各段之間通過密封圈(8)螺紋連接;扶正筒(2) 與上接頭(1)通過螺紋連接,電子單元接頭(3 )插在扶正筒(2 )內(nèi),電子單元接頭(3 )的尾端 螺紋連接電池組(4),電池組(4)的另一端與套筒(16)螺紋連接,電磁鐵(5)置于套筒(16) 中,電磁鐵(5)的上端面與電池組(4)下端面接觸,下端與柔性桿(6)固定連接,濾網(wǎng)(7)通 過螺釘固定在套筒(16)的側(cè)壁上,輔助閥(9)上端與柔性桿(6)連接,彈簧(10)上端固定 在套筒(16)上,下端固定在主閥閥桿(11)上,主閥閥桿(11)與主閥閥頭(12)及套筒(16) 螺紋連接,限流環(huán)(13)置于循環(huán)套(14)中,循環(huán)套(14)與下接頭(15)通過花鍵連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種鉆柱振動失效預(yù)警裝置,包括上接頭,扶正筒,電子單元接頭,電池組,電磁鐵,柔性桿,濾網(wǎng),輔助閥,彈簧,主閥閥桿,主閥閥頭,限流環(huán),循環(huán)套,下接頭,套筒,扶正筒與上接頭通過螺紋連接,電子單元接頭固定在扶正筒內(nèi),電子單元接頭與電池組及套筒螺紋連接,電磁鐵下端與柔性桿固定連接,輔助閥上端與柔性桿連接,彈簧上端固定在套筒上,下端固定在主閥閥桿上,主閥閥桿與主閥閥頭螺紋連接,限流環(huán)置于循環(huán)套中,循環(huán)套與下接頭通過花鍵連接。該裝置確保鉆柱存在失效危險時通過泥漿信號報警,并在起鉆后進(jìn)行數(shù)據(jù)回放,以此研究井下鉆柱在井眼中各位置的實(shí)際工作情況,驗(yàn)證各理論模型的準(zhǔn)確性。
文檔編號E21B44/00GK201857949SQ20102059176
公開日2011年6月8日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者丁宇奇, 劉巨保, 岳欠杯, 張強(qiáng), 李治淼, 梅冬琴, 羅敏 申請人:東北石油大學(xué)